(57)【要約】【課題】  地磁気や外部磁界の影響を受けないで発信出力を受信することができる。【解決手段】  基準部位に取付けられ交番電流により交番磁束を発生させる送信コイル３と、動作部位に取付けられ上記交番磁束を検知する受信コイル４と、上記交番電流を発生させる発振器１の発振波形と上記交番磁束を検知する受信コイル４の受信波形との同期検波を行う同期検波回路６とを有する。また、送信コイル３に対し異なる動作部位に複数の受信コイル４を備え、この複数の受信コイル４を切り替えるマルチプレクサ１０を備える。【選択図】  図１
2006017680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準部位に対する動作部位の相対的変位を電気信号の変化として捕えて処理する姿勢並びに関節角度検出装置において、
基準部位に取付けられ交番電流により交番磁束を発生させる送信コイルと、動作部位に取付けられ上記交番磁束を検知する受信コイルと、上記交番電流を発生させる発振器の発振波形と上記交番磁束を検知する受信コイルの受信波形との同期検波を行う同期検波回路と、を有することを特徴とする姿勢並びに関節角度検出装置。
【請求項２】
送信コイルに対し異なる動作部位に複数の受信コイルを備え、この複数の受信コイルを切り替える切り替え器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の姿勢並びに関節角度検出装置。
【請求項３】
交番電流の周波数は５KＨｚ〜３０KＨｚであることを特徴とする請求項１又は２に記載の姿勢並びに関節角度検出装置。
【請求項４】
送信コイルを備えた基準部位と受信コイルを備えた動作部位との相対位置関係について上記基準部位と動作部位との基準状態では、上記送信コイルに対する上記受信コイルの姿勢を、最大磁束又は最小磁束の検出姿勢としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の姿勢並びに関節角度検出装置。
【請求項５】
姿勢又は関節角度の標準状態において、基準部位に対する動作部位の基準状態から上記動作部位を動作範囲限度まで変化させて受信コイルによる交番磁束の変化を把握し、次いで姿勢又は関節角度の個別状態において、基準部位に対する動作部位を動作範囲限度まで変化させて受信コイルによる交番磁束の変化を把握して上記標準状態での交番磁束の変化に置き換えることを特徴とする姿勢並びに関節角度検出方法。  
【請求項６】
姿勢又は関節角度の標準状態において、基準部位に対する動作部位の基準状態から上記動作部位を動作範囲限度まで変化させて受信コイルによる交番磁束の変化を把握し、次いで姿勢又は関節角度の実使用状態において、基準部位に対する動作部位での受信コイルによる交番磁束の変化を把握して上記標準状態に対する実使用状態での実測係数を決定することを特徴とする姿勢並びに関節角度検出方法。    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基準部位に対する動作部位の動作による姿勢や角度を検出する姿勢並びに関節角度検出装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体や動物更にはロボットの姿勢あるいは関節の曲げ角度を、電気的に捕捉し処理することによって、姿勢や関節の曲げを客観的に検出することは、従来から行われている。この検出は、例えば人間で言えば、手話動作のコンピュータへの入力、ゲームコントローラ操作やキーボード操作の指関節の曲げ入力等、人体の姿勢や関節の曲げ具合をコンピュータのデータとして持つことにつながり、このデータの利用法としては教示データとして利用する等種々のものがある。
従来例として特許文献１に記載される関節角度センサは、人間の指の関節の曲げ具合を得るため、所望の関節を中心として基端側と先端側とに永久磁石と磁気センサとを備え、永久磁石による直流磁界の強度を磁気センサによって得ることで指の曲げを得ることが開示されている。  
【特許文献１】特開平７−７５６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１においては、直流磁界の強度を検出するものである。この直流磁界は地磁気や外部磁界の影響を受けやすく、周りに鉄素材や磁石が氾濫している最近の環境では永久磁石と磁気センサとを余程近接させなければ検出感度が得られないという問題を生じている。また、永久磁石と磁気センサとの距離を隔てた場合、仮に磁気センサの検出感度を上げることができたとしても、上記のような環境ではノイズも拾うことになり、永久磁石の直流磁界のみを拾うことができる所望のセンサ及びそのセンサ出力は得られない。
【０００４】
このように、永久磁石と磁気センサとの検出装置にあって、地磁気や外部磁界の影響を受けないでセンサ出力を得ることは、従来技術では困難である。
この発明は、上述の問題に鑑み発明されたもので、地磁気や外部磁界の影響を受けないで送信出力を受信することができる姿勢並びに関節角度検出装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成する本発明は、姿勢並びに関節角度の検出にあって、基準部位に対する動作部位の相対的変位を電気信号の変化として捕えて処理する姿勢並びに関節角度検出装置において、基準部位に取付けられ交番電流により交番磁束を発生させる送信コイルと、動作部位に取付けられ上記交番磁束を検知する受信コイルと、上記交番電流を発生させる発振器の発振波形と上記交番磁束を検知する受信コイルの受信波形との同期検波を行う同期検波回路と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、人体や動物更にはロボットの姿勢あるいは関節の曲げ角度を得るに当たり、送信コイルにて交番磁束を発生させ、受信コイルにて交番磁束を検出することにより、直流磁界による方法と異なり地磁気や外部磁界の影響を受けなく、更には同期検波によって発振周波数成分のみを検波することにより外部交流磁界の影響を受けにくい。    
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
ここで、図を参照して本発明の姿勢並びに関節角度検出装置及び方法の実施形態を説明する。
〔第1実施形態〕
図１は、第１実施形態の回路ブロックである。図１において、送信側においては、例えば１０ＫＨｚ程度の発振周波数を得る発振器１、この発振器１の発振出力に基づく電流を増幅する電流アンプ２、この電流アンプ２による電流によって交番磁束を発生させる送信コイル３を順に有し、また、受信側においては、送信コイル３からの交番磁束を検出する受信コイル４、この受信コイル４による磁束変化に伴う検出電圧を増幅するバッファアンプ５、このバッファアンプ５にて最適値に増幅された電圧を発振器１の出力信号により同期検波して、送信コイル３から出力された磁束に基づき受信コイル４にて得られた電圧成分のみを取り出すことにより極性を持った直流電圧（脈流）を出力する同期検波回路６、この同期検波回路６の脈流出力を平滑化するローパスフィルタ７、このローパスフィルタ７の出力をディジタル変換するＡ／Ｄコンバータ８、このＡ／Ｄコンバータ８の出力を取り込むＣＰＵ９，からなり、簡単でかつローコストな回路構成である。
【０００８】
こうして、送信コイル３による交番磁束が受信コイル４にて検出されこの検出値に基づくＡ／Ｄ変換されたディジタル信号がＣＰＵ９に取り込まれる。この場合、送信コイル３に対する受信コイル４の姿勢によって受信コイル４にて検知される磁束が変化し、例えば送信コイル３と受信コイル４の空芯軸方向が主磁束を通す方法に位置する時受信コイル４にて検出される誘導電圧は最大となり、一方送信コイル３と受信コイル４との空芯軸方向が相互に直行する時誘導電圧は最小となる。このため、この誘導電圧の最大、最小あるいはその中間を検出することにより送信コイル３に対する受信コイル４の姿勢（あるいは角度や位置）を検出することができる。
【０００９】
図２は、同期検波回路６における波形を示す動作説明図である。図２において、（ａ）は発振器１の出力波形（正弦波）、（ｂ）はこの発振器１の出力波形に同期して作られる同期検波信号、（ｃ）は送信コイル３と受信コイル４の空芯軸方向が主磁束を通す方法に位置する時の受信コイル４の最大誘導電圧波形、（ｄ）はこの（ｃ）の場合の同期検波出力波形及び直流に変換したローパスフィルタ出力波形、（ｅ）は送信コイル３に対して受信コイル４が−６０度の角度を成す向きに配置された時の受信コイル４に誘起される電圧波形、（ｆ）はこの（ｅ）の場合の同期検波出力波形及び直流に変換したローパスフィルタ出力波形である。なお、この（ｅ）の波形にて−の意味は送信コイル３と受信コイル４の空芯軸方法が直行する状態を基準にして、空芯軸方向が主磁束を通す方向に位置する様に変化する一方向を＋としたときその逆方向に変化する他の方向のことを意味する。また、図１に示す同期検波回路６は、図２（ｂ）に示すように矩形波のロー側では−１倍のゲインを有し、矩形波のハイ側では＋１倍のゲインを有する増幅器であるので、（ｃ）の波形は（ｄ）のような同期検波出力となり、（ｅ）の波形は（ｄ）とは極性が逆で振幅が小さな場合を示したものであり、（ｆ）のような同期検波出力となる。
【００１０】
図３は実際に送信コイル３及び受信コイル４を手の甲及び人差し指に装着した状態を例示する。ここでは、手の甲に装着した送信コイル３による交番磁束が手の甲から手の平に向かい貫通するように送信コイル３が配置され、また、人差し指に装着した受信コイル４は指の方向に磁束が通る時最大の誘導電圧が発生する。すなわち、送信コイル３はその空芯軸方向が手の甲から手の平に向かい貫通する方向であり、受信コイル４はその空芯軸方向が指に沿う方向であるので、図３に示す手を開いた基準状態では、送信コイル３と受信コイル４とによる空芯軸方向が直行することになり、受信コイル４による検出磁束は最小となる。そして、人指し指を曲げ、あるいは手を握りこぶしを作る様にすることにより、送信コイル３による主磁束が受信コイル４と鎖交して空芯に磁束が通るようになるので、受信コイル４による検出磁束は次第に多くなる。また、手の甲に対して指を反らした状態では、手を握る方向と逆極性の受信コイル４による検出磁束が多くなる。この手に装着する送信コイル３及び受信コイル４としては、所望の交番磁束を得るあるいは所望の交番磁束を検出することができれば良いので、コイル間の距離にもよるが、数十ターン巻けば良く、この点機械的強度やローコストにつながる。また、コイル保持具としては、図示省略するが指輪状のグローブや巻きベルトが挙げられ、場合によってはベルクロファスナや包帯のような布にて固定するようにしても良い。なお、この図３においては、手の甲を基準部位とし人差し指を動作部位とした例を挙げているが、その装着部位は、腕を対象としただけでも、手の甲と前腕、前腕と上腕、上腕と肩などの関節部分あるいは姿勢を検出する部分など多岐にわたる。
【００１１】
図４は、図３の例に基づき、送信コイル３と受信コイル４との位置関係と、その位置関係に対する受信コイル４による誘導電圧比率とを示したものである。図４（ａ）に示すように、送信コイル３に対して受信コイル４の位置を変化させた場合、図４（ｂ）に示すように受信コイル４による磁束が検出される。すなわち、図４（ａ）は、例えば手の甲である基準部位に取付けられた送信コイル３に対して、人差し指である動作部位に取付けられた受信コイル４を変化させる様子を示しており、図４（ｂ）は、基準部位の送信コイル３に対して、動作部位の受信コイル４を−方向（反り方向）６０度位置から＋方向９０度位置まで変化させたときの受信コイル４の受信電圧比率（誘導電圧の比率）を示したものである。この図４（ｂ）のように手の甲と指とが直線状態にある０度（基準状態の場合）では、送信コイル３と受信コイル４の空芯軸方向が直行して受信電圧は０となり、受信コイル４を＋方向あるいは−方向に変位させると受信コイル４に主磁束が鎖交し始め受信電圧が次第に増大（減少）する。そして、この受信電圧比率は非線形特性となる。
【００１２】
このようにして、図３に示すように例えば手の甲と人差し指とに送信コイル３及び受信コイル４を装着して、送信コイル３に交番電流を流すことにより発生した交番磁束を受信コイル４が検出することで、受信コイル４の位置信号を人指し指の曲げ程度として得ることができ、人差し指の曲げ具合として図４（ｂ）に示すような特性を得ることができる。なお、送信コイル３と受信コイル４との距離が大きくなるとその距離の３乗に反比例して磁界の強さが減少することになるので、一般的にコイル間の距離が大きくなると磁束が検出しにくくなる。この場合、ノイズの影響が無視できない場合には、なおさら磁束の検出はしにくくなるが、交番磁束を検出することは、ノイズの影響を小さくすることになるのでそれだけ磁束の検出がし易いことにもなる。
【００１３】
本実施形態においては、送信コイル３にて交番磁束を発生させるため、発振器１の発振周波数を１０ＫＨｚ程度とした。この発振周波数は、地磁気の影響を受けず、あるいは周りの磁石等の外部磁界による環境に左右されない交番磁束を発生する周波数である。実測上低周波の場合には、例えば５ＫＨｚ以下の発振周波数の場合、発振コイル３と受信コイル４との距離にもよるが、交番磁界の変化が少ないため受信コイル４による交番磁束の捕捉の感度が下がり、一方、発振周波数を高くした場合には、例えば３０ＫＨｚ以上にするとき、コイルの巻回数にもよるがコイルのインダクタンスが無視できなくなり、このためインピーダンスが大きくなって所望の交番電流（交番磁束）を得るためには高い電圧を印加しなければならず、また、高速動作が必要になるため、コストアップとなる。以上のことを勘案すると、コイル間の距離やコイルの巻回数等の条件にもよるが、５ＫＨｚ〜３０ＫＨｚの発振周波数が、本検出装置として適切である。
【００１４】
また、図４（ａ）の送信コイル３に対する受信コイル４の動きにて図４（ｂ）に示す非線形の特性が得られる。この特性の全体を利用する場合あるいは部分的に利用する場合について、ＣＰＵ９による処理にて所望のデータを得るようにするために、送信コイル３に対する受信コイル４の相対的なコイルの姿勢を設定することもできる。例えば、受信コイル４を送信コイル３と同様に指の甲に取付け空芯方向を指の表裏に沿って貫通する交番磁束と鎖交するようにすれば、送信コイル３と受信コイル４の空芯軸方向が主磁束を通す方法に位置することになり基準状態（０度位置）において最大の受信電圧が得られることになって、−方向あるいは＋方向の変位に応じて受信コイル４による受信電圧が最大値から次第に低下することになる。このように、基準部位に対する動作部位の動きについて、最もデータとして必要な動きの部分の特性が得られるように、送信コイル３に対する受信コイル４の相対位置関係（コイル間の相互姿勢）を設定することで、基準状態にて最大又は最小の磁束検出姿勢とすることができる。そして、この送信コイル３に対する受信コイル４の相対位置関係をどのようにするかについては、送信コイル３及び受信コイル４が取付けられる部位の相対的な動き、あるいはコイル間の距離を勘案して設定される。
【００１５】
実際の姿勢検出や関節角検出の前提として、まず初期検出設定を行う。この初期検出設定は、基準部位に送信コイル３を装着し、動作部位に受信コイル４を装着した後、基準状態から動きの限度まで動作部位（図４では人差し指）を動かしこの動作範囲限度までの受信コイル４の受信電圧を得る。この後、実使用状態に移り実際の検出においては、所望の検出動作例えば手話の動作やキーボード操作を行い受信コイル４の受信電圧を得る。このように初期検出設定を行うことにより、実使用状態での実際の姿勢検出や関節角検出直前の特性が得られることから実測係数を決めることで、動きやコイル装着部位の個体差あるいは誤差による検出値のばらつきを抑えることができる。
【００１６】
更に、実使用状態の個体差による特性の較正のために、標準状態（例えば普通の大人）での特性を得ておき標準でない個別状態（例えば子供や大男）の特性を得る場合には標準の値に置き換える処理をしても良い。すなわち、標準状態での初期検出設定を行い、個別状態にて得られた動作検出限度までの特性を標準状態に置き代えるべく特性の比較を行い、特性の較正が可能となる。
このようなキャリブレーションは、送信コイル３に対する受信コイル４の誘導電圧特性が、相互の空芯軸方向の角度のみならずコイル間の距離にも影響されるので、実使用状態での実測係数、標準状態から個別状態の比較にて更に正確な検出値が得ることが可能になる。
〔第２実施形態〕
図５及び図６は、第２実施形態を示すものである。この第２実施形態を第１実施形態との違いについて説明するに、複数の受信コイル４（図５では５個）を備え、この各受信コイル４を切り替える切り替え器（ここではマルチプレクサ１０を例示する）をバッファアンプ５の前段に置き、ＣＰＵ９によってマルチプレクサ１０の切り替えを制御する構成を有する。そして、この例ではコイルを除いた回路素子、すなわち発振器１、電流アンプ２、マルチプレクサ１０、バッファアンプ５、同期検波回路６、ローパスフィルタ７、Ａ／Ｄコンバータ８．ＣＰＵ９は、例えば１枚のプリント板に組み込みデータ処理部１１内に収納して手の甲に乗る小型素子を形成する。図６は、図５の装置を手に装着した状態を示すものである。ここでは、５個の受信コイル４を手の各指に装着し、送信コイル３はデータ処理部１１と共に手の甲に装着した状態を示している。なお、データ処理部１１は、ホストコンピュータ１２に結線されているが、ワイヤレスにてデータの送信を行うこともできる。なお、この第２実施形態では、５個の受信コイル４を設けた例を示したが、別段５個の限られるわけではなく複数の受信コイル４の一例として挙げたものである。
【００１７】
このように受信コイル４による受信電圧をＣＰＵ９の制御によりマルチプレクサ１０にて切り替えることで、混信することなくほとんど同時に受信コイル４の複数の検出値を得ることができる。
また、この第２実施形態においても、第１実施形態にて説明した５ＫＨｚ〜３０ＫＨｚの発振周波数を用いること、あるいは送信コイル３に対する受信コイル４の相対位置関係（コイル間の相互姿勢）を設定し、基準状態にて最大又は最小の磁束検出姿勢とすること、初期検出設定やキャリブレーションを行うこと、は適用可能である。この場合、本実施形態での初期検出設定では、図６のように手を広げ、そして手を握ることにより行う。
【００１８】
また、第１実施形態では、第２実施形態にて述べたデータ処理部１１によるブロック搭載、小型素子化、あるいはホストコンピュータ１２との結線あるいは無線化が適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態のブロック構成図である。
【図２】同期検波動作の波形図である。
【図３】コイル装着状態の一例の説明図である。
【図４】コイル位置と受信電圧比率との説明図である。
【図５】第２実施形態のブロック構成図である。
【図６】コイル装着状態の一例の説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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